Изучение и анализ производства медного купороса (стр. 11 из 16)

- Количество загружаемых медных гранул (максимум) 10,2т (ρ=1,7 т/м³);

– Количество исходного раствора 11т (ρ=1,2т/м³);

– Вес нейтрализационной колонны в рабочем режиме 25,7 т;

– Мощность привода насоса циркуляционной системы 4 кВт;

– Материал основных элементов установки. 12Х18Н10Т

Общий вид устройства показан на рис. 3.

Аппарат состоит из цилиндрического вертикального корпуса 1 в нижней части которого расположена камера смешения 2 сжатого воздуха с циркулирующим раствором. Подача сжатого воздуха осуществляется через патрубок 3 соосно потоку циркулирующего раствора и через патрубок 4 под перфорированную перегородку 5, отделяющую камеру смешения от реакционной зоны 6, которая через коническую царгу подсоединена к пеногасителю 7. Пеногаситель представляет собой расширенную цилиндрическую часть аппарата, соотношение диаметра которого к диаметру реакционной зоны составляет (2,94 – 2,98): 1. В пеногасителе расположен теплообменник в виде змеевика для подогрева раствора и обеспечения оптимальной температуры процесса с вводом пара через патрубок 11 и выводом конденсата через патрубок 26. В этой же части аппарата расположены: отстойная зона 9, образованная цилиндрическим защитным экраном 10 и корпусом аппарата 1; газоотводящие патрубки 12; для отвода осветленного раствора – диаметрально расположенные сливные патрубки 13, входящие через сливной коллектор 14 в циркуляционную трубу 15.

Описанное выше устройство работает следующим образом.

Медь в виде гранул или порошка загружают через верхний загрузочный люк 16, затем аппарат заполняют сернокислым раствором до рабочего уровня через патрубок 17. В подогреватель – змеевик 8 подается пар для обеспечения заданной температуры процесса растворения. Через патрубки 3, 4 подается сжатый воздух. Запускается циркуляционный насос 18 для создания циркуляции раствора через слой твердого растворяемого вещества. Рабочая жидкость подается в донную часть аппарата 25 циркуляционным насосом 18 через вентили 21, 22, 24 либо, минуя насос, через вентиль 23. Затем поступает в камеру смешения 2 со сжатым воздухом и за счет подъемной силы сжатого воздуха выбрасывается в реакционную зону 6, где идет основная реакция твердофазного взаимодействия – газ – жидкость – твердое. Далее раствор поднимается в расширенную часть колонны – пеногаситель 7, где гасится образующаяся на поверхности раствора пена. Попадая в отстойную зону 9, раствор осветляется от твердых частиц и через сливной патрубок 13 и сливной коллектор 14 поступает в циркуляционную трубу 15.

По истечении определенного времени, готовый раствор анализируют и выдают из системы циркуляции через ловушку 19 и вентиль 20 на дальнейшую переработку.

В нижней части имеется люк для чистки аппарата и осмотра элементов опорной решетки.

Оборудование установки обвязано технологическими трубопроводами, подающими и отводящими раствор, пар, конденсат, сжатый воздух. Установка оснащена запорной регулирующей арматурой, приборами КИП и А.

Предлагаемая конструкция аппарата позволяет использовать для растворения медь как в виде гранул, так и в виде порошка; увеличить скорость процесса по сравнению с прототипом в 6 – 10 раз за счет повышения коэффициента использования воздуха с 30 до 70 %, снизить расход сжатого воздуха в 3 раза, пара – в 2 раза, повысить извлечение меди в готовую продукцию и ее качество [9].

3.2.1 Определение размеров аппарата [10]

Диаметр верхней части колонны совпадает с диаметром оксидизера и равен 2380 мм. Размеры царг определяются размерами листа дорогостоящей стали 2000

1000. Высота нижней части колонны определяется количеством медных гранул, необходимых для проведения процесса растворения.

,(1)

где V– объем занимаемый медными гранулами, м³;

F– площадь поперечного сечения обечайки, м².

, (2)

где d =1,268 – внутренний диаметр обечайки;

π = 3,14.

, (3)

где m=13330 – масса медных гранул, кг;

=4540 – удельный вес медных гранул, кг/м³

Тогда по формулам (3) и (1):

,

.

Принимаем высоту нижней части аппарата 3 м, с учетом увеличения объема медных гранул при прохождении раствора вверх исходящим потоком.

Далее произведем расчет толщины стенки корпуса.

Корпус аппарата сварной. Верхняя часть колонны состоит из 3 царг цилиндрической формы (наружный диаметр 2380 мм, толшина стенки 6 мм) и одной конической формы.

Нижняя часть колонны состоит из 4 цилиндрических царг, внутренний диаметр которых 1268 мм. В местах крепления опор и решетки, для увеличения жесткости царги с толщиной стенки 8 мм, а остальные с толщиной стенки 6 мм.

Рассчитаем толщину стенки нижней обечайки:

, (4)

где S_p- расчетная толщина стенки, м;

с – прибавка к расчетной величине стенки.

, (5)

где С₁ – прибавка для компенсации коррозии;

С₂ и С₁ – технологическая прибавка.

, (6)

где Р – внутреннее давление, Па;

D = 1268 – внутренний диаметр обечайки, мм;

= 174 – допускаемое напряжение для материала корпуса аппарата

12Х18Н10Т, МПа [10];

= 0,9 – коэффициент прочности сварных швов [10].

Аппарат находится под давлением столба жидкости и медных гранул.

Давление столба жидкости [11]:

, (7)

где Н = 6,75 – высота уровня раствора, м;

ρ = 1400 – плотность исходного раствора кг/м³;

g = 9,81 – ускорение свободного падения м/с².

Р₁ = 6,75 ∙ 1400 ∙ 9,81 = 92704,5 Па = 92,70 кПа.

Давление на 1 см² от медных гранул:

Н = 5,2 – высота слоя медных гранул, м;

ρ = 1700 – плотность медных гранул кг/м³.

Р₂ = 5,2 ∙ 1700 ∙ 9,81 = 86720,4 Па = 86,72 кПа.

Суммарное давление на стенки обечайки:

Р = 92704,5 + 86720,4 = 179424,9 Па = 179,42 кПа.

Расчетную толщину стенки найдем по формуле (6):

= 0,3 мм.

Произведем расчет объемов различных частей аппарата колонного типа.

Объем цилиндрической части башни (закачка раствора на высоту 1,8 м от крышки аппарата, что соответствует линии сливной трубы):

V₁ = h ∙ π ∙ d²/4, (8)

где h = 2,8 – 1,8 = 1,0 м = 100 мм,

V₁ = 1,0 ∙ 3,14 ∙ 2,368²/4 = 4,402 м³.

Рассчитаем объем усеченного конуса башни

V₂ =π ∙ h/3 ∙ (r₁² + r₁ ∙ r₂ + r₂²), (9)

V₂ = 3,14 ∙ 0,55/3 ∙ (0,634² + 0,634 ∙ 1,184 + 1,184²) = 1,470 м³.

Определим объем колонны для загрузки гранул

V₃ = h ∙ π ∙ d²/4, (10)

V₃ = 4,8 ∙ 3,14 ∙ 1,268²/4 = 6,058 м³.

По формуле (9) рассчитаем объем усеченного конуса колонны

V₄ = 3,14 ∙ 0,48/3 ∙ (0,15² + 0,15 ∙ 0,634 + 0,634²) = 0,261 м³.

По формуле (10) найдем объем цилиндрической части колонны

V₅ = 0,10 ∙ 3,14 ∙ 0,261²/4 = 0,005 м³.

Рассчитаем объем цилиндрической части сепаратора по формуле (10)

V₆ = 0,048 ∙ 3,14 ∙ 0,261²/4 = 0,002 м³.

Объем усеченного конуса сепаратора найдем, подставив данные в формулу (9)

V₇ = 3,14 ∙ 0,159/3 ∙ (0,13² + 0,13 ∙ 0,625 + 0,625²) = 0,081 м³.

Объем отвода крутоизогнутого рассчитаем, подставив данные в формулу (10)

V₈ = 0,39 ∙ 3,14 ∙ 0,125²/4 = 0,0048 м³.

Аналогично найдем объем патрубка

V₉ = 1,9 ∙ 3,14 ∙ 0,125²/4 = 0,023 м³.

Объем вертикальной части циркуляционной трубы равен

V₁₀ = 6,45 ∙ 3,14 ∙ 0,125²/4 = 0,079 м³.

Объем сливного коллектора равен 0,07 м³, тогда суммарный объем циркуляционной системы равен

V_∑ = V₆ + V₇ + V₈ ∙ 2 + V₉ + V₁₀ + V₁₁,

V_∑ = 0,002 + 0,081 + 0,0048 ∙ 2 + 0,023 + 0,079 + 0,07 = 0,2646 м³.

Расширение верхней части вертикального участка циркуляционной трубы учли в виде 5 % от суммарного объема циркуляционной системы, с учетом этого имеем

V_∑ = 0,2646 ∙ 0,05 + 0,2646 = 0,278 м³.

3.3 Описание и расчет вакуум-выпарного кристаллизатора

Выделение медного купороса из медеэлектролитных растворов предусматривается в три стадии выпарной кристаллизации. Это один из основных процессов производства медного купороса на предприятии ОАО «Уралэлектромедь».

Отработанный электролит завода «Уралэлектромедь» содержит повышенное количество примесей NiSO₄, FeSO₄, As₂O₃, ZnSO₄, CaSO₄ и др. Выведенный из электролитных ванн передаточный электролит направляют на нейтрализацию свободной серной кислоты черновой медью с последующей трехстадийной упаркой раствора и кристаллизацией медного купороса.

На ряде действующих медеэлектролитных заводов этот процесс осуществля-ется в вакуум-выпарных аппаратах с вынесенной греющей камерой, которые работают периодически, так как на теплопередающей поверхности происходит интенсивное образование нерастворимой и механически прочной накипи, состоящей преимущественно из сульфата.

СверНИИхиммашем были проведены исследования вакуум-кристаллизации производственного раствора в опытных циркуляционных кристаллизаторах разных конструкций. На основании полученных результатов была разработана и успешно внедрена в эксплуатацию в цехе медного купороса ОАО «Уралэлектромедь» выпарная вакуум-кристаллизационная установка, а также были приняты следующие технические решения: